面向感知應用的通感一體化信號設計技術與綜述

余顯祥 姚 雪 楊 婧 陸 軍 崔國龍* 孔令講(電子科技大學信息與通信工程學院 成都 611731)(東南大學信息科學與工程學院 南京 211189)(鄭州大學電氣與信息工程學院 鄭州 450001)(嘉興學院浙江省醫(yī)學電子與數(shù)字健康重點實驗室 嘉興 314001)

1 引言

在電子信息系統(tǒng)對抗中，隨著技術的發(fā)展，越來越多的電子設備被配備到各式作戰(zhàn)平臺，從而提升作戰(zhàn)平臺在復雜電磁環(huán)境中的生存率。但同時裝備雷達、通信、偵察機和干擾機等多種電子設備，不可避免的會消耗大量的能源，增加彼此之間的干擾，增大作戰(zhàn)平臺的體積，因此這種傳統(tǒng)的功能疊加式的工作體制已經難以應對敵方綜合性電子兵器。隨著信息技術的高速發(fā)展，為適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境的需要，有必要研究作戰(zhàn)平臺上多種電子設備的綜合一體化[1]。一體化系統(tǒng)具有資源集約化和功能互增強等優(yōu)點，解決了功能疊加式系統(tǒng)的資源浪費、功能沖突、成本高和機動性受限等缺點。

作為戰(zhàn)場“千里眼”和“順風耳”的雷達和通信系統(tǒng)是作戰(zhàn)平臺的兩個重要組成部分，雷達和通信一體化具有理論上的可實現(xiàn)性。具體來說，二者在硬件系統(tǒng)上具有相似性，均配備諸如天線、發(fā)射機、接收機和信號處理器等設備。此外，雷達信號處理算法和通信檢測方法在信號處理理論上具有一致性。因此，一個綜合性探測與通信系統(tǒng)通過發(fā)射一體化信號，部分共享信道、天線、處理等硬件和軟件資源，以同時完成雷達探測與數(shù)據(jù)/信息通信功能將成為未來綜合無線電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一。

通感一體化(Dual Function Radar and Communication,DFRC)系統(tǒng)相關軍事項目最早見于1996年美國國防高級研究計劃局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)開展的先進多功能射頻系統(tǒng)(Advanced Multi-function Radio Frequency Concept,AMRFC)項目[2,3]。在2009年，美國海軍研究辦公室(Naval Research Laboratory,NRL)實施集成上層建筑(Integrated Topside,InTop)項目，開展基于AMRFC的寬帶射頻組件和天線陣列的研究[4]。AMRFC的收發(fā)天線是分離的，其收發(fā)陣列孔徑大小是可以獨立調節(jié)的，且可以同時形成多個接收波束來實現(xiàn)多功能同時工作。AMRFC的工作頻帶內包含了4個不同的通信頻帶，可同時支持多達6個射頻鏈路來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，其中最大下行鏈路視線數(shù)據(jù)傳輸可達274 Mbit/s，最大上行數(shù)據(jù)率可達10.7 Mbit/s[3]。AMRFC測試平臺的海面雷達[5]發(fā)射低峰值功率、高占空比頻率調制信號，可在X波段和Ku波段自由選擇，增加了雷達工作的靈活性和與其他射頻功能的互操作性。在美國海軍發(fā)展AMRFC的同時，美國空軍也在研究發(fā)展“寶石柱(Pave pillar)”計劃，提高航電系統(tǒng)的一體化水平，并在F-22中得到了應用。F-22戰(zhàn)機裝備的有源電子掃描陣列(Active Electronically Scanned Array,AESA)具有電子干擾和通信的能力，同時可以對目標進行掃描和跟蹤。在一定程度上，該系統(tǒng)已經實現(xiàn)了雷達-電子戰(zhàn)-通信一體化，但是，該多功能綜合射頻系統(tǒng)的傳感器孔徑和射頻電路仍是分離的。隨后，Northrop Grumman公司、L-3通信公司和洛克希德-馬丁公司提出了基于相控陣雷達天線的通信系統(tǒng)[6]，在原有的AESA雷達上對其硬件進行一定的更改，在雷達處理模塊上新增一個用來調制和解調通信的軟件，即可在雷達平臺上實現(xiàn)雷達和通信的雙重功能。在“寶石柱”計劃的基礎上，“寶石臺”計劃進一步加強了多功能綜合射頻系統(tǒng)的一體化程度。通過在整個航電電子系統(tǒng)中更多的使用通用模塊，最大限度地實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，以及雷達、電子戰(zhàn)、通信和導航功能的綜合[7]。“寶石臺”計劃的代表性成果是F-35戰(zhàn)機。其研發(fā)開展時序如圖1所示。

圖1 相關軍事項目研發(fā)時序圖Fig.1 Timing diagram of related military projects

目前主流的以雷達探測功能為主的DFRC研究場景如圖2所示，包含一體化發(fā)射機、雷達接收機和通信終端。一體化信號經上變頻發(fā)射，其中電磁波的一條傳播路徑為到達探測目標，形成目標回波，該回波經雷達接收機接收，雷達信號處理提取目標信息，同時另一條傳播路徑經通信終端接收，下變頻解調后提取通信信息。其中，DFRC信號設計是DFRC系統(tǒng)研究的關鍵技術，主要是指通過電磁頻譜共享方式，在空域、時域以及頻域等多個維度上，同時實現(xiàn)雷達探測和信息通信兩種功能的發(fā)射信號。其難點是在不損失/低損失雷達探測性能前提下，如何在空時頻多維度高效嵌入通信信息。從目前公開發(fā)表的文獻來看，可將面向感知應用(探測功能為主)的DFRC信號設計按適用的一體化系統(tǒng)體制分類。典型的一體化系統(tǒng)為單輸入單輸出(Single-Input-Single-Output,SISO)與多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)，其中，SISO系統(tǒng)僅需設計單個發(fā)射信號，MIMO系統(tǒng)則需設計多個獨立的信號。

圖2 通感一體化研究場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of the DFRC scenario

此外，另一類研究致力于以通信功能為主的一體化信號設計主要以信息傳輸功能為主，同時實現(xiàn)探測和通信功能[8–33]。其中，最常見的是基于正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號的一體化信號設計[19–33]。本文是對以探測功能為主的一體化信號設計現(xiàn)狀開展綜述，因而對以通信功能為主的一體化信號不做過多的闡述。

2 面向感知應用的SISO系統(tǒng)DFRC信號設計

SISO一體化系統(tǒng)只配備單個發(fā)射天線，因此適用于該系統(tǒng)的DFRC信號設計只需完成單個信號設計。文章針對發(fā)射脈沖位置調制、基于典型雷達信號參數(shù)調制、頻域置零調制、模糊函數(shù)置零調制、全盲水印調制等信息傳輸方法分別展開論述。

2.1 基于發(fā)射脈沖位置調制的DFRC信號設計

早在1963年，Mealey[34]利用不同脈沖位置的脈沖組來傳輸通信信息。具體來說如圖3所示，傳輸信息比特0時，在參考脈沖位置R0處有發(fā)射脈沖，傳輸信息比特1時，在參考脈沖位置R1處有發(fā)射脈沖。因為一個脈沖組只能傳輸一個比特信息，通信傳輸速率非常低。該系統(tǒng)實際上利用PRI捷變進行了信息調制。

圖3 脈沖位置通信信息調制示意圖(I1：第1個詢問脈沖，I2：第2個詢問脈沖，R0：比特0的參考脈沖位置，R1：比特1的參考脈沖位置，Rstart：開始標識脈沖，P：該位置上存在脈沖，—：該位置上沒有脈沖)Fig.3 Diagram of pulse position for communication information embedding (I1:the first inquiry pulse,I2: the second inquiry pulse, R0:reference pulse position of bit 0, R1: reference pulse position of bit 1, Rstart: start identifying pulse, P: existing pulse at present position, —: without pulse at present position)

此外，美國在2007年公開的專利上提出了根據(jù)傳輸?shù)男畔⑦x擇不同的PRI實現(xiàn)在雷達平臺上構建通信鏈路[35]，其原理框圖如圖4所示，該系統(tǒng)具有兩個PRI生成器的選通開關，根據(jù)傳輸信息進行切換，實現(xiàn)脈沖間信息調制。該方法并不改變雷達探測脈沖形式，但本質上也是利用雷達的PRI變化實現(xiàn)信息傳輸，傳輸效率低。

圖4 采用不同PRI的DFRC系統(tǒng)Fig.4 DFRC system with different PRI

為提升利用雷達系統(tǒng)PRI捷變傳輸信息速率，2021年，西安電子科技大學全英匯教授團隊[36]提出了基于索引調制的PRI捷變通信信息傳輸方法。假設在一個平均脈沖重復周期Tr內，有Mp個位置可以作為發(fā)射信號的起始位置，則一個脈沖可以傳輸?shù)男畔⒈忍財?shù)為N=log2Mp。通信信息傳輸示意圖如圖5所示。假設每個相干處理間隔(Coherent Processing Interval,CPI)傳輸一幀數(shù)據(jù)，其中第1個脈沖作為幀頭不承載數(shù)據(jù)，一個CPI包含NpNg個周期。將一幀數(shù)據(jù)流先轉換成Np?1行的并行數(shù)據(jù)，每一行數(shù)據(jù)為N位，然后一一映射到不同的PRI來實現(xiàn)二進制信息的嵌入。在通信接收端，將每個脈沖信號的PRI與Tr進行對比，檢測其偏移量并映射到對應的二進制數(shù)據(jù)，以完成通信信息的解調。在雷達信號處理端，將接收的回波信號進行預處理，并引入壓縮感知理論，利用稀疏重構的方法，完成目標檢測。上述利用PRI捷變傳輸信息的方法[34–36]，雖然沒有改變傳輸信號的時頻特性，但改變了脈沖多普勒雷達體制的PRI，從而影響了雷達探測的最大不模糊距離。

圖5 PRI捷變通信信息調制示意圖Fig.5 Schematic diagram of PRI agile for communication information modulation

2.2 基于典型雷達信號參數(shù)調制的DFRC信號設計

由于具有良好的多普勒容忍度和大時帶寬積等特性，線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號廣泛應用于雷達探測中，部分工作通過調制LFM相位、載頻等參數(shù)構成具有類LFM特征的DFRC波形。

2007年，加州大學洛杉磯分校的Saddik等人[37]探討了結合LFM信號與差分四相相移鍵控(Differential Quadrature Phase Shift Keying,DQPSK)調制的超寬帶雷達通信一體化系統(tǒng)。然而，頻繁的相位跳變會帶來較大的諧波分量，且?guī)忸l譜泄露會增大誤比特率(Bit Error Ratio,BER)，因此數(shù)字調制中常采用連續(xù)相位調制(Continuous Phase Modulation,CPM)以加快功率譜密度衰減，減少頻譜泄露。為了利用CPM調制通信信息，我國王小謨院士團隊[38,39]于2013年提出了最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying,MSK)調制構成的DFRC信號，從雷達角度看，該信號保持了LFM信號大時帶寬積的特性，從通信角度看，該信號是以LFM脈沖為載波的MSK調制信號。文中通過模糊函數(shù)分析了其雷達性能，其通信BER與MSK信號相當[38,39]。上述結合LFM信號與相移鍵控調制的DFRC信號[37–40]均以增大原始LFM信號自相關函數(shù)旁瓣水平，降低原始LFM信號的多普勒容忍度為代價完成了通信信息的傳輸。

2018年，電子科技大學崔國龍教授團隊[40]提出了一種LFM信號相位/調頻率調制的DFRC信號設計方法，通過設計附加相位或調頻斜率以實現(xiàn)對基準LFM信號的調制，構建一個具有良好自相關和互相關性能的共享信號庫。每個脈沖的發(fā)射信號均來自上述具有良好自相關和互相關特性的信號庫，利用發(fā)射信號的不同選擇來傳輸信息，采用最大似然方法對信息解調。若上述信號庫中有W個正交信號，則在一個脈沖重復間隔(Pulse Repetition Interval,PRI)時間內傳輸?shù)谋忍財?shù)為log2W。

除LFM信號外，面向感知應用的通感一體化信號研究考慮將通信信息合理地調制于其他類型的信號上。例如，2017年美國的Sahin等人[41]提出了多相編碼頻率調制(Polyphase-Coded Frequency-Modulated,PCFM)-CPM的DFRC信號構建法，并通過調整CPM的調制系數(shù)平衡雷達和通信性能。2020年桂林電子科技大學的楊超[42]研究了多斜率和多載波調頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)波形的信息調制解調方法，以及雷達目標檢測處理算法。

2.3 基于變換域調制的DFRC信號設計

為了充分利用信號時頻空域特性，有效可控地平衡探測和通信性能，對DFRC信號設計開始向變換域調制方向發(fā)展。其相關研究見于2018年電子科技大學崔國龍教授團隊[43]提出的基于環(huán)境頻譜知識的DFRC信號設計方法。假設探測環(huán)境的干擾頻譜和可通信頻帶先驗知識已知，且現(xiàn)有雷達系統(tǒng)的工作帶寬絕大多數(shù)均大于通信系統(tǒng)的工作帶寬，抑制干擾頻帶能量以實現(xiàn)與其他通信系統(tǒng)頻譜共存，抑制DFRC系統(tǒng)預分配頻帶能量調制通信信息，其調制示意圖如圖6所示。在通信接收端，基于能量的大小檢測識別通信頻帶，從而實現(xiàn)信息的解調。文中綜合考慮DFRC信號的距離旁瓣抑制、通信信息嵌入、干擾頻譜兼容等信號性能函數(shù)和恒模約束條件，建立的信號設計問題模型如下：

圖6 頻譜置零調制示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency nulling for communication

其中，DFRC信號s有M個快時間采樣點，信號的自相關函數(shù)為r，為第l個通信頻帶的能量，E2為干擾頻帶的總能量。采用經典的坐標下降法(Coordinate Descent,CD)求解該優(yōu)化問題。但通信頻帶的數(shù)量有限，往往導致傳輸?shù)男畔⑺俾什桓摺Ｓ捎谕ㄐ判畔⒌那度雽⒉糠诸l帶置零，將會增大DFRC信號自相關函數(shù)旁瓣水平，從而影響雷達的探測性能。

2020年該團隊提出了基于模糊函數(shù)賦形的DFRC信號設計架構，通過抑制低多普勒區(qū)域的模糊函數(shù)局部旁瓣提升雷達探測性能，抑制高多普勒區(qū)域的局部旁瓣調制通信信息，抑制不同的局部旁瓣位置代表不同的通信信息。在通信接收機端通過模糊函數(shù)值的大小檢測識別被抑制的局部旁瓣位置，從而實現(xiàn)信息的解調。建立了最大化峰值模糊函數(shù)旁瓣電平比和恒模約束的優(yōu)化問題，其構建的優(yōu)化問題如下：

2023年，該團隊提出了基于數(shù)字水印的通感一體架構[45]，將目標參數(shù)、同步和通信信息分別視為非盲、半盲和全盲水印，通過借鑒數(shù)字水印使探通一體波形獲得與其相似的魯棒性、感知透明、加密、可逆自恢復等優(yōu)勢，同時需權衡性能、容量和穩(wěn)定性3個互斥因素。此外，提出了一種基于近端乘子法的DFRC信號設計方法，以水印形式在波形變換域調制通信信息，同時抑制波形PSL提升了SAR成像性能。

表1從信息調制方法的角度總結了SISO系統(tǒng)DFRC信號設計的優(yōu)缺點。

表1 SISO系統(tǒng)DFRC信號設計優(yōu)缺點Tab.1 Summary of dual-function signal design methods in SISO system

3 面向感知應用的MIMO系統(tǒng)DFRC信號設計

MIMO一體化系統(tǒng)配備多個天線，模數(shù)轉換模塊，因此該系統(tǒng)能支持多個獨立的信號同時發(fā)射，極大地擴展了DFRC信號設計的自由度。本節(jié)從跳頻(Frequency Hopping,FH)信號參數(shù)調制、空域調制以及索引調制等信息調制方法分別展開論述。

3.1 基于FH信號參數(shù)調制的DFRC信號設計

由于FH信號具有易實現(xiàn)、硬件處理相對簡單、具有恒模特性適合雷達系統(tǒng)放大器工作等優(yōu)點，2017年Amin教授團隊Hassanien等人[46]提出利用MIMO陣列將通信信息相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)調制在已有的正交FH信號簇中。若采用D進制的通信信息調制方法，能夠在一個PRI時間內傳輸log2D×Qf×Nt比特信息，其中Qf為跳頻子脈沖總數(shù)，Nt為發(fā)射天線總數(shù)。2020年該團隊通過CPM調制通信信息，有效地抑制了PSK調制導致頻譜展寬[47]。2021年該團隊討論了不同相位調制在DFRC信號自相關函數(shù)旁瓣抑制和頻譜展寬抑制方面性能的折中[48]。針對隨機通信信息調制帶來的自相關函數(shù)旁瓣抑制問題，研究了基于碼移鍵控(Code Shift Keying,CSK)的通信相位調制序列與FH碼片的聯(lián)合優(yōu)化[49–51]。2022年，該團隊采用遺傳算法設計了CSK序列進一步抑制了自相關函數(shù)旁瓣電平[51]。然而，由于DFRC信號為多個單頻子脈沖拼接的構成形式，在保證各發(fā)射天線信號正交的前提下，該方法通信速率受限于信號的時帶寬積，雷達探測性能仍受限于較高的自相關函數(shù)旁瓣水平。

3.2 基于空域調制的DFRC信號設計

部分研究則利用天線方向圖旁瓣幅度或者相位調制實現(xiàn)通信信息傳輸，采用天線方向圖模板匹配結合實際的通信調制約束條件構建了凸優(yōu)化問題并求解[52–59]。2016年，美國Amin教授團隊[52–54]通過優(yōu)化設計多正交信號的加權矢量實現(xiàn)主瓣探測和旁瓣方向ASK通信。其陣列天線方向圖如圖7所示。以天線方向圖主瓣與方向圖模板主瓣的差異最小為目標函數(shù)，約束其整體旁瓣電平以及根據(jù)傳輸?shù)男畔⒓s束通信接收機所在方向的旁瓣電平值構建如下的優(yōu)化問題：

圖7 旁瓣方向ASK通信示意圖Fig.7 Schematic diagram of ASK communication on sidelobes

由于通過優(yōu)化設計多正交信號的加權矢量實現(xiàn)主瓣探測和旁瓣方向ASK通信[52–54]以及主、旁瓣PSK下行鏈路通信[56,57]的通信速率不高。

在2018年，Ahmed等人[58,59]提出了基于QAM調制的DFRC系統(tǒng)框架，在提升通信速率的同時實現(xiàn)了多用戶通信。其陣列天線方向圖如圖8所示。求解下列優(yōu)化問題得到權矢量w。

圖8 旁瓣方向QAM通信示意圖Fig.8 Schematic diagram of QAM communication on sidelobes

2020年電子科技大學崔國龍教授團隊[61,62]在不使用天線方向圖模板匹配的前提下，采用恒定模加權，采用波束合成手段控制方向圖旁瓣電平嵌入通信信息，實現(xiàn)通信信息傳輸和期望方向圖?？杀硎鰹橐韵聝?yōu)化問題：

其中，w為權重矢量，第1個約束為主瓣約束，其中??0和+?0為主瓣內發(fā)射功率的上下限，第2個約束為通信方向旁瓣電平控制約束，第3個和最后一個約束為除通信方向外旁瓣電平約束，其中η1,η2為除通信方向外旁瓣方向發(fā)射功率的上限范圍，第4個約束為權矢量恒模約束。采用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)求解優(yōu)化問題。上述利用陣列方向圖旁瓣電平的高低實現(xiàn)通信信息傳輸[52–54,58,59,61,62]，會使陣列方向圖的PSL增大，從而影響雷達的探測性能。

為使電磁能量聚集于感興趣的區(qū)域，增強探測、通信、反隱身以及低截獲等能力，可對發(fā)射波束的方向圖賦形。常見的空域波束賦形函數(shù)為發(fā)射方向圖積分旁瓣電平(Integrated Sidelobe Level,ISL)和與理想發(fā)射方向圖的均方誤差。因此可構建以最小化空域波束賦形函數(shù)為準則，通信調制約束和其他實際發(fā)射需求的信號約束下的優(yōu)化問題，實現(xiàn)探測和通信性能的平衡可控。

2022年電子科技大學崔國龍教授團隊[63]利用通信接收機方向空間合成信號xc,c=1,2,...,C的頻譜置零調制傳輸信息。其調制示意圖如圖9所示，在通信接收端，基于能量的大小檢測識別合成信號的通帶和阻帶，從而實現(xiàn)信息的解調。為了保證雷達的探測性能，以最小化天線方向圖ISL為目標函數(shù)，同時考慮主瓣寬度約束、發(fā)射信號的峰均比(Peak to Average Ratio,PAR)約束、發(fā)射信號能量約束以及通信信息調制約束構建了如下DFRC信號優(yōu)化問題：

圖9 空間信號頻譜置零調制示意圖Fig.9 Schematic diagram of spectral nulling for modulation of signal on specific direction

2022年廣東工業(yè)大學的Wu等人[64]在通信方向功率約束的條件下完成了多天線空時相位編碼DFRC信號優(yōu)化設計。首先獲得滿足雷達探測功能的發(fā)射天線方向圖，建立的優(yōu)化問題如下：

對通信接收機方向上的空間合成信號相位調制傳輸信息，假設通信接收機位于方位，則該空間指向上的合成信號(未加噪聲)為

2022年國防科技大學的唐波教授團隊[65]在發(fā)射總功率和通信調制約束的條件下最大化信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)，實現(xiàn)了DFRC信號設計。該信號不僅能向合作通信用戶傳輸信息，還可以向竊聽者傳輸錯誤信息，建立的優(yōu)化模型如下：

3.3 基于索引調制的DFRC信號設計

上述基于DFRC信號設計方法普遍存在通信速率低的缺點，不能滿足高速傳輸大數(shù)據(jù)量的需求，近年來，借鑒于通信系統(tǒng)中的索引調制[66–68]，通過對發(fā)射天線陣元、載波頻率、發(fā)射正交信號簇的選擇或者排序傳輸通信信息，極大地提升了通信速率。

2018年Amin教授團隊[69]提出了采用置換矩陣混排發(fā)射的正交信號順序以調制通信信息，設計正交信號加權矩陣W以實現(xiàn)理想雷達波束圖。具體來說，Nt個陣元構成的天線陣列發(fā)射信號為

采用該方法能夠在一個PRI時間內傳輸log2(K!)比特信息。

在此基礎上，崔國龍教授團隊[70]提出了ADMM的DFRC信號矩陣設計方法和基于交替方向懲罰(Alternating Direction Penalty Method,ADPM)的排序學習優(yōu)化解調方法，進一步抑制了發(fā)射方向圖峰值旁瓣，有效解決了文獻[69]中窮舉解調維度爆炸問題。

2019年北京航空航天大學王向榮教授團隊[71]通過稀疏陣列的正交信號排列和天線分配的聯(lián)合調制，獲得了更高的通信數(shù)據(jù)速率。從Nt個陣元的天線陣列中選擇K個作為當前發(fā)射信號的陣元，發(fā)射正交信號矩陣Φ。則在方向通信接收端接收的信號為

其中，Q∈RK×Nt是選擇矩陣，P∈RK×K是置換矩陣。與正交信號集合Φ做匹配濾波后可得

對通信信息解調相當于求解置換矩陣P以及選擇矩陣Q。采用的具體方法為

2022年，Amin教授團隊對發(fā)射正交信號的FHMIMO系統(tǒng)已提出的通信信息傳輸方案進行了總結和比較，給出了聯(lián)合相位、天線上頻率分配的高速率通信方式。該方法能夠在一個PRI時間內傳輸(log2DNt+log2())Qf比特信息，其中采用D進制的相位編碼[73]。對通信信息解調即求接收到的各子脈沖的頻率以及調制的相位信息，具體來說，采用所有可能的單頻信號與接收到的每個子脈沖做匹配濾波，取其中的最大值作為接收子脈沖頻率的估計。采用鑒相器識別各接收子脈沖上調制的相位。如果采用發(fā)射天線上頻率選擇和排列組合的方式進行調制，則能夠在一個PRI時間內傳輸(log2(t！))·Qf比特信息。解調時只需采用所有可能的單頻信號與接收到的每個子脈沖做匹配濾波，取其中的最大值作為接收子脈沖頻率的估計。

圖10 MAJoRCom系統(tǒng)發(fā)射實例Fig.10 The transmitting example of MAJoRCom system

基于索引調制的通感一體化信號設計極大地提升了一體化系統(tǒng)的信息傳輸速率，但是需要建立信息比特序列映射表，因此對計算能力和存儲能力有較高的要求。

表2從信息調制方法的角度總結了MIMO系統(tǒng)一體化信號設計的優(yōu)缺點。

表2 MIMO系統(tǒng)一體化信號設計優(yōu)缺點Tab.2 Summary of dual-function signal design methods in MIMO system

4 總結與展望

本文針對感知應用的通感一體化信號設計開展了深入而全面的綜述。從時頻域和時頻空域信號設計存在的主要問題、挑戰(zhàn)和最新研究進展進行了梳理。分別總結了適用于SISO一體化系統(tǒng)和MIMO一體化系統(tǒng)的信息調制方法。并且從通信誤碼率、通信速率、探測性能損失的角度分析了各種調制方法的優(yōu)缺點。

盡管對通感一體化信號設計的研究已做了相當多的工作，本領域依然存在很多需要探索的研究方向。

(1) 一體化信號處理方法：面向感知應用的一體化信號設計，改變了原有雷達信號的時空頻特性，可能導致經典的雷達信號處理方法不再適用，未來的DFRC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是一體化信號設計和相應的雷達信號處理方法并行發(fā)展，因此針對特定一體化信號的處理方法研究勢在必行。

(2) 一體化信號的性能邊界：目前一體化信號設計的性能衡量準則尚未深入考慮通信性能和探測性能相互影響，合理設計科學、有效、普適的一體化系統(tǒng)兩種功能邊界衡量準則是值得進一步研究的方向[77–82]。

(3) 多功能一體化系統(tǒng)：現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境日趨復雜，有源無源干擾、地理環(huán)境相關的雜波以及己方、敵方、友方電子設備輻射的電磁波造就了日益復雜的電磁環(huán)境，因此具有偵察、抗干擾、雜波抑制、探測以及通信性能的一體化系統(tǒng)是大勢所趨，未來依然可以從設計多功能一體化信號以及系統(tǒng)的工作體制著手開展多功能一體化系統(tǒng)的相關研究。

(4) 組網雙功能系統(tǒng)：單一站點上的DFRC系統(tǒng)的資源畢竟是有限的，將難以應對日益復雜的電磁環(huán)境和作戰(zhàn)需求。因此需要研究全空間、全頻段意義下的組網雙功能系統(tǒng)，整合各站點的可利用資源，實施合理高效的資源調度，提升整個系統(tǒng)的探測和通信能力。

(5) 超大規(guī)模陣列一體化系統(tǒng)：為降低超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的硬件復雜度，低精度的數(shù)模轉換器(Digital Analog Converter,DAC)的一體化系統(tǒng)開始吸引研究者的注意力[83–85]。因此需要考慮在超大規(guī)模陣列一體化系統(tǒng)中硬件的復雜度和系統(tǒng)性能的折中。